李 梅 王洪波 陳淑芬 張克峰

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101)

濟(jì)南市南部山區(qū)雨水資源化分析＊

李 梅 王洪波 陳淑芬 張克峰

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101)

我國(guó)許多城市,特別是北方城市面臨水資源嚴(yán)重短缺的問(wèn)題。而雨水利用是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)水資源的有效手段。濟(jì)南市南部山區(qū)地域廣闊,是濟(jì)南市泉域地下水的補(bǔ)給區(qū),該區(qū)域雨水的利用對(duì)修復(fù)生態(tài)環(huán)境、提高市區(qū)地下水水位有重要的意義?；谀喜可絽^(qū)特有的地形地貌和生態(tài)環(huán)境,本文分析了該地區(qū)年降雨、月降雨和降雨分布頻率的特點(diǎn),并進(jìn)一步對(duì)南部山區(qū)雨水利用方式進(jìn)行了探討,提出可采用增加入滲集水,植樹(shù)造林、增加草地覆蓋率等生物蓄水方法和坡面集水、溝道工程、河道攔蓄、水庫(kù)調(diào)蓄等工程措施實(shí)現(xiàn)南部山區(qū)的雨水資源化。

南部山區(qū);降雨特性;雨水利用;資源化

隨著水資源緊缺以及暴雨洪水災(zāi)害的頻繁發(fā)生,雨洪資源的利用越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。雨水資源化是解決水資源短缺的一條有效途徑,遵循了水資源可持續(xù)利用的原則。濟(jì)南市南部山區(qū)面積廣闊,具有獨(dú)特的地理環(huán)境,多年平均降雨量為648mm,全年降水的65%集中在夏季,有較豐富的雨水資源[1]。南部山區(qū)是濟(jì)南市泉域地下水的補(bǔ)給區(qū),充分利用南部山區(qū)雨水資源對(duì)恢復(fù)南部山區(qū)的生態(tài)環(huán)境、保持濟(jì)南市地下水水位和保證泉群常年正常噴涌具有重要意義。

1 濟(jì)南市南部山區(qū)概述

1.1 南部山區(qū)地形地貌

濟(jì)南市南部山區(qū)為泰山余脈,地處魯中山地北緣單斜山地丘陵區(qū),地勢(shì)南高北低,海拔高度在30-990m之間,自南往北為山谷丘陵和沖積平原,高差達(dá)900m。以斷層劃分的濟(jì)南市南部山區(qū),西起馬山斷裂,東至東塢斷裂,南部以長(zhǎng)城嶺地表分水嶺為界,北至南外環(huán),總面積1 500km2[2]。在南部山區(qū)灰?guī)r和裂隙巖溶發(fā)育的地方,易于大氣降水的滲入和地下水的積蓄,大量大氣降水和地表徑流,滲入地下形成豐富的裂隙巖溶水,地下水水質(zhì)較好,是濟(jì)南泉群直接或間接補(bǔ)給區(qū),多年平均地下水天然資源補(bǔ)給量為5.795×108m3/a。南部山區(qū)內(nèi)大型水庫(kù)有臥虎山水庫(kù)和錦繡川水庫(kù),主要河流有玉符河和北大沙河。

1.2 南部山區(qū)生態(tài)環(huán)境

南部山區(qū)植被綠化覆蓋率約在40%左右,且多屬純林,水土保持和涵養(yǎng)水源的能力較差,造成嚴(yán)重的水土流失,暴雨時(shí)易造成山洪暴發(fā),水泥沙石順坡而下,沖毀村莊農(nóng)田,破壞淤積庫(kù)塘河道等排灌設(shè)施,使庫(kù)塘容積變小,效益降低[3]。南部山區(qū)內(nèi)的臥虎山水庫(kù)和錦繡川水庫(kù)是濟(jì)南市南部地區(qū)生活飲用水重要的水源基地?？蓾M(mǎn)足濟(jì)南市南部區(qū)域30萬(wàn)人的生活用水。但現(xiàn)在兩水庫(kù)水質(zhì)均受到不同程度的污染,共檢出76種有機(jī)污染物,已經(jīng)影響到居民的用水水質(zhì)。南部灰?guī)r地區(qū)溝谷是地下水重要補(bǔ)給源區(qū),但目前溝谷內(nèi)生態(tài)環(huán)境惡化,植被稀少,垃圾、渣土堆積,耕種農(nóng)田,修建道路、住房,使許多原本滲漏的河道、溝谷嚴(yán)重淤積,入滲能力降低,水源涵養(yǎng)條件差。

2 南部山區(qū)降雨特性分析

2.1 降雨的多年分布特性

南部山區(qū)歷年降雨情況見(jiàn)圖1。年降雨量主要集中在500-800mm之間,南部山區(qū)多年平均降水量為648mm。1964年降雨量最大,為1 075mm;1968年降雨量最小,為355mm;年際變化較大,降雨量最大年份幾乎是最小年份的三倍。通過(guò)對(duì)1956-2005年這50年降雨資料的頻率統(tǒng)計(jì),降雨量集中在450-850mm之間的累計(jì)頻率為72%,年降雨量低于450mm的累計(jì)頻率為14%,年降雨量高于850mm的累計(jì)頻率為14%。

圖1 年降雨量統(tǒng)計(jì)

2.2 降雨的月分布特性

南部山區(qū)多年月平均降雨量見(jiàn)圖2。圖中可看出,南部山區(qū)的降雨存在明顯的季節(jié)性,夏季由于暖濕氣團(tuán)的影響,雨量充沛,降雨主要集中在6-8月份,這三個(gè)月的降雨量超過(guò)了420mm。12-3月的降雨量較少,這四個(gè)月的降雨量不超過(guò)40 mm,不超過(guò)全年降雨量的6%,說(shuō)明濟(jì)南市南部山區(qū)月降雨情況分配嚴(yán)重不均衡。降雨特性使南部山區(qū)在夏季極易產(chǎn)生洪澇災(zāi)害,大量的雨水集中形成徑流沖刷區(qū)內(nèi)河道,造成河道下游及水庫(kù)淤積嚴(yán)重,對(duì)濟(jì)南市區(qū)的排洪管網(wǎng)也產(chǎn)生極大的壓力,不利于直接對(duì)雨水進(jìn)行蓄存利用,需要采取一定的措施進(jìn)行雨水的收集、蓄存和利用。

圖2 月平均降雨量圖

2.3 降雨頻率分析

2.3.1 降雨頻率模型

皮爾遜Ⅲ型曲線(xiàn)是當(dāng)前水文計(jì)算中常用的頻率曲線(xiàn),該曲線(xiàn)對(duì)降雨頻率分析具有一定的優(yōu)勢(shì)。皮爾遜Ⅲ型曲線(xiàn)是一條一端有限一端無(wú)限的不對(duì)稱(chēng)單峰曲線(xiàn),工程水文計(jì)算中,指定頻率P所相應(yīng)的隨機(jī)變量為xp,指定頻率P為:

式中,Γ(α)為Γ函數(shù);α0為皮爾遜Ⅲ型曲線(xiàn)零點(diǎn)與系列零點(diǎn)的距離。α0、α、β可通過(guò)1956-2004年降雨數(shù)據(jù)的離差系數(shù)、偏差系數(shù)計(jì)算得到。

便于制表,水文中通常稱(chēng)為離均系數(shù),指定頻率P可表達(dá)為為:

已知數(shù)據(jù)帶入公式,計(jì)算得出,α=162.3 β=0.07 a0=-1580.72

則指定頻率P所相應(yīng)的隨機(jī)變量xp滿(mǎn)足:

2.3.2 模擬結(jié)果分析

把南部山區(qū)1956-2004年降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得到的實(shí)際頻率曲線(xiàn)和根據(jù)式(4)計(jì)算得到的理論頻率曲線(xiàn)在海森機(jī)率紙上采用描點(diǎn)法繪制出來(lái),比較實(shí)際頻率曲線(xiàn)和理論頻率曲線(xiàn)的擬合情況,調(diào)整離差系數(shù)CV,直到和實(shí)際頻率曲線(xiàn)擬合較好為止。從圖中可得到,理論頻率曲線(xiàn)和實(shí)際情況擬合誤差在10%以?xún)?nèi)[4]。得出年降雨量在1000mm以上的頻率是2%,年降雨量在640mm以上的頻率是50%,對(duì)降雨頻率分析主要是用來(lái)預(yù)報(bào)暴雨洪水,對(duì)南部山區(qū)進(jìn)行皮爾遜Ⅲ型頻率曲線(xiàn)分析主要是為了研究南部山區(qū)的降雨特性和降雨規(guī)律,為進(jìn)一步利用該地區(qū)的雨水利用的措施提供依據(jù)。

3 南部山區(qū)雨水利用措施

3.1 生物蓄水

濟(jì)南市南部山區(qū)水土流失較嚴(yán)重,土壤植被生態(tài)系統(tǒng)的蓄水保水能力弱,可通過(guò)地表微地形的改變,盡可能多的將降雨形成的地表徑流蓄積起來(lái),提高雨水利用程度,可采用以下措施。

(1)增加入滲集水:根據(jù)雨水的可儲(chǔ)性通過(guò)地表微地形的改變,增加地表土壤入滲能力,通過(guò)“土壤水庫(kù)”的儲(chǔ)蓄調(diào)節(jié)功能,使雨水徑流就地?cái)r蓄入滲,減少地表徑流損失,提高植物根區(qū)的土壤含水量和水分利用效率,達(dá)到雨水資源的高效利用[5]?？稍谀喜可絽^(qū)的西營(yíng)鎮(zhèn)、柳埠鎮(zhèn)、仲宮鎮(zhèn)和高而鄉(xiāng)等地修建大面積的水土保持梯田,水平階、水平槽和魚(yú)鱗坑等。

(2)防止蒸發(fā),增加雨水利用:市南部山區(qū)植被覆蓋率低,蒸發(fā)能力很強(qiáng),降雨集中在6-9月份,在雨水被土壤接納成為土壤水分后,受光、熱和風(fēng)力作用會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā),耕作或播種后,如在地表附加一層覆蓋物,可降低地表蒸發(fā)所損耗的水分,保持土壤含水率,為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供保障,提高土壤蓄水保墑效果,同時(shí),某些覆蓋物還能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,培肥地力。

(3)植樹(shù)造林,蓄積雨水:如果南部山區(qū)森林覆蓋率由現(xiàn)在的25.9%提高到30%,貯蓄雨水的功能將提高185萬(wàn)m3,相當(dāng)于2個(gè)大明湖的水量。增加植樹(shù)造林面積、保護(hù)自然植被、逐步調(diào)整南部山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、進(jìn)行小流域治理等措施,以達(dá)到保護(hù)土壤表層、涵養(yǎng)水源、實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。

(4)增加草地覆蓋率,增加雨水入滲:南部山區(qū)植被綠化覆蓋率較低,可在水土流失嚴(yán)重的裸巖石礫地分布區(qū)以荊條、酸棗、胡枝子等灌木和黃背草、蔥草、白楊草等草本植物為主進(jìn)行封山綠化,可使裸巖石礫地逐步轉(zhuǎn)化為荒草地。再進(jìn)一步通過(guò)植樹(shù)造林,轉(zhuǎn)化為林地。南部山區(qū)的平均地表滲透率為0.23,占總區(qū)面積30%的荒草地建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾?每年可增加蓄水能力4億m3。

3.2 工程調(diào)蓄措施

(1)坡面集水:南部山區(qū)內(nèi)山多坡陡,坡面截流可以促進(jìn)雨水入滲,避免徑流沖刷。坡長(zhǎng)較短的坡面以魚(yú)鱗坑、竹節(jié)溝、水平階等造林整地措施為主,坡長(zhǎng)較長(zhǎng)的坡面還要增設(shè)截流溝。截流溝還要與縱向的排水溝相連,把徑流引入蓄水設(shè)施或強(qiáng)滲漏地段內(nèi)。這些措施在增加坡面入滲的同時(shí),還為坡面林木生長(zhǎng)提供了必要的水分。

(2)溝道工程:南部山區(qū)年降雨量在790mm以上的頻率為20%,降雨量大且集中,而區(qū)內(nèi)溝壑縱橫,如果充分利用其自身的地形對(duì)雨水進(jìn)行集蓄利用,可發(fā)揮南部山區(qū)的地形優(yōu)勢(shì),溝道是降雨匯集和洪水排泄的場(chǎng)所,也是截流促滲的最佳位置。

(3)河道攔蓄工程:濟(jì)南市南部山區(qū)內(nèi)有兩大河流,分別為玉符河與北大沙河,充分利用這兩大河流集蓄汛期的雨水回灌地下,是南部山區(qū)雨水利用的重點(diǎn)。宜采用生物治河和工程治河相結(jié)合,使其形成良性循環(huán)。這樣即可通過(guò)改善河道的生態(tài)環(huán)境來(lái)增加河道的蓄水能力,又可通過(guò)河道蓄水能力的提高來(lái)灌溉更多的農(nóng)田、植被、樹(shù)林以改善河道周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境。

(4)水庫(kù)調(diào)蓄工程:南部山區(qū)已建有各類(lèi)攔蓄工程296座,采用水庫(kù)來(lái)蓄存雨水非常重要。南部山區(qū)大型水庫(kù)有臥虎山水庫(kù)、錦繡川水庫(kù)等,中型水庫(kù)有崮頭水庫(kù)、釣魚(yú)臺(tái)水庫(kù)、石店水庫(kù)等,小型水庫(kù)有巖棚水庫(kù)、南高而水庫(kù)、坡里莊水庫(kù)等,總庫(kù)容2.02億m3,興利庫(kù)容1.31億m3,最大攔蓄能力為2.63億m3,控制流域面積748.3 km2[6]。在水庫(kù)安全運(yùn)行情況下,充分利用洪水資源,多攔蓄洪水量,為汛后乃至來(lái)年供水提供相當(dāng)?shù)乃俊?/p>

4 結(jié) 語(yǔ)

南部山區(qū)是濟(jì)南市泉域地下水的補(bǔ)給區(qū),該區(qū)域雨水利用可修復(fù)生態(tài)環(huán)境、提高市區(qū)地下水水位。南部山區(qū)降雨汛期主要集中在6-8月份,占全年降雨量的65%,月降雨量分配嚴(yán)重不均衡。所以在南部山區(qū)采用增加入滲集水、防止蒸發(fā),植樹(shù)造林、增加草地覆蓋率等生物蓄水方法和坡面集水溝道工程河道攔蓄工程水庫(kù)調(diào)蓄工程等工程調(diào)蓄措施來(lái)進(jìn)行雨水的利用,此外,還建議采取制定雨水利用的相關(guān)法規(guī)與政策、加強(qiáng)監(jiān)督加大宣傳力度等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)雨水資源化。

(編輯:溫武軍)

[1]趙承忠,李炳,馬宇熹.濟(jì)南市雨洪資源利用的思考[J].山東水利,2006,(8):92-93.

[2]王立紅,秦艷紅.濟(jì)南市地下水補(bǔ)給區(qū)景觀格局研究[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào),2005,20(4):58-61.

[3]李梅,李佩成,于曉晶.濟(jì)南市南部山區(qū)雨水利用模式探討[J].節(jié)水灌溉,2008,(3):36-38.

[4]李梅.濟(jì)南雨洪控制與利用研究(博士后研究工作報(bào)告)[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2009:42-44.

[5]于曉晶,李梅,張學(xué)楊.濟(jì)南市南部山區(qū)雨水資源化途徑探討[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào).2007,28(10):388-390.

[6]王敏.濟(jì)南市南部山區(qū)水環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及保護(hù)性開(kāi)發(fā)影響研究[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2002.

AbstractMany cities in China,especially in northern cities facing seriouswater shortage problem.Rainwater utilization is an effective way to implement sustainable water resource.The vast south mountains area is the springs area groundwater recharge zone.The use of rain water in the region is of great significance for renovating ecological environment and improving the groundwater level.Based on the unique topography and geomorphy and ecological environment of southern mountains,the characteristics of annual and monthly rainfall and rainfall frequency in the area were analyzed in the paper.Furthermore,the approach of rainwater utilization were also discussed.As results,the biotechnologies forwater storage,such as infiltration catchment,afforestation and increasing grassland coverage,aswell as the engineering approaches,for example,catchment slope,channel engineering,river impoundment and reservoir storage,were introduced to implement rainwater resources of southern mountain.

Key wordssouth mountains;rainfall characteristic;rainwater utilization;resource

Analysis of Ra inwater Utilization in SouthM ounta in Area of Jinan

L IM ei WANG Hong-bo CHEN Shu-fen ZHANG Ke-feng
(School ofMunicipal and Environmental Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan Shandong 250101,China)

TU991.1

A

1002-2104(2010)03專(zhuān)-0473-03

2010-03-16

李梅,博士,副教授,主要研究方向?yàn)樗Y源保護(hù)與規(guī)劃、非常規(guī)水源利用。

＊建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.2008-K7-19);山東省資源節(jié)約型社會(huì)科技支撐體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(No.2008JY01);科技部國(guó)際科技合作與交流計(jì)劃項(xiàng)目(No.2007DFB70200)。